Программа Механика Э_2013

Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета «Высшая школа экономики»
Факультет Электроники и телекоммуникаций
Программа дисциплины
«ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ»
для направления 210100.62 «Электроника и наноэлектроника»
подготовки бакалавра
Автор программы:
Виноградов А.Н., к.т.н., доцент, [email protected]
Одобрена на заседании кафедры
«Электроника и наноэлектроника»
Зав. кафедрой К.О. Петросянц____________________
«____»____________ 20
г.
Рекомендована профессиональной коллегией
УМС по электронике
Председатель С.У. Увайсов_______________________
«____»____________ 20
г.
«____»_____________20
г.
Утверждена Учёным советом МИЭМ
Ученый секретарь В.П. Симонов __________________
Москва 2014
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета
и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Основы моделирования технических систем» для направления
210100.62 «Электроника и наноэлектроника» подготовки бакалавра
1. Область применения и нормативные ссылки
Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные требования к
знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности.
Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных
ассистентов и студентов направления 210100.62 «Электроника и наноэлектроника» подготовки
бакалавра, изучающих дисциплину «Основы моделирования технических систем».
Программа разработана в соответствии с:
 ФГОС высшего профессионального образования по направлению подготовки 210100.62
«Электроника и наноэлектроника» (квалификация бакалавр);
 Образовательной программой 210100.62 «Электроника и наноэлектроника» по специализации «Электронное машиностроение» с квалификацией бакалавра;
 Рабочим учебным планом НИУ ВШЭ по направлению подготовки бакалавров 210100.62
«Электроника и наноэлектроника», утвержденным 10 июня 2014 года.
2. Цели освоения дисциплины





Целями освоения дисциплины «Основы моделирования технических систем» являются:
знание основных принципов и теории построения моделей технических систем в электронике и мехатронике.
овладение методами построения математических моделей технических систем, основанных
на уравнениях математической физики.
изучение современных методов математического моделирования, а также методик приведения задач к типовому виду.
умение строить математические модели реальных систем, использовать современное программное обеспечение для решения типовых технических задач.
приобретение навыка и умения производить выбор необходимых математических методов и
программного обеспечения при проведении вычислительных экспериментов.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины «Основы моделирования технических систем» студент должен:
 владеть основными методами построения различных моделей технических систем, в том
числе математических;
 знать методы построения графических и математических моделей статических и динамических систем;
 уметь создавать графические и математические модели простейших технических систем;
 уметь проводить математическое моделирование и проектирование элементов технических
систем путем решения уравнений математической физики;
 иметь представление о возможностях современных методов математического моделирования и проектирования технических систем.
В результате освоения дисциплины студент осваивает следующие компетенции:
Компетенция
Способность представлять адекватную современному уровню
знаний научную картину мира
на основе знаний основных положений, законов и методов
естественных наук и математи-
Код по
ФГОС
ПК-1
Дескрипторы – основные
признаки освоения (показатели достижения результата)
Формы и методы обучения,
способствующие формированию и развитию компетенции
Решение задач, в том
числе в рамках домашних заданий
Посещение лекций,
подготовка к практическим занятиям
2
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Основы моделирования технических систем» для направления
210100.62 «Электроника и наноэлектроника» подготовки бакалавра
Компетенция
ки
Способность выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности,
привлекать для их решения соответствующий физикоматематический аппарат.
Способность строить простейшие физические и математические модели приборов, схем,
устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального
назначения, а также использовать стандартные программные
средства их компьютерного моделирования.
Способен использовать основные законы естественнонаучных
дисциплин в профессиональной
деятельности, применять методы математического анализа и
моделирования, теоретического
и экспериментального исследования.
Владеет основными методами,
способами и средствами получения, хранения, переработки
информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией.
Дескрипторы – основные
признаки освоения (показатели достижения результата)
Формы и методы обучения,
способствующие формированию и развитию компетенции
ПК-2
Решение задач, в том
числе в рамках экзамена
Посещение лекций, подготовка к практическим
занятиям, выполнение домашних заданий
ПК19
Решение задач, в том
числе в рамках домашних заданий и экзамена
Посещение лекций, подготовка к практическим
занятиям, подготовка к экзамену
ОК10
Подготовка к семинарам; ответы на контрольные вопросы тестов
Развитие навыков теоретического анализа в ходе
изложения лекционного
материала, самостоятельная работа студентов
ОК12
Изучение справочных
ресурсов программного
обеспечения и сети Интернет по тематике дисциплины
Практические работы, а
также подготовка домашних заданий
Код по
ФГОС
4. Место дисциплины в структуре образовательной программы
Дисциплина «Основы моделирования технических систем» относится к дисциплинам по
выбору учебного плана. Дисциплина изучается на 4 курсе (семестр 2).






Изучение данной дисциплины базируется на следующих дисциплинах:
Математика. Математический анализ (промежуточный уровень);
Математика. Линейная алгебра и аналитическая геометрия;
Основы инженерной и машинной графики;
Общая физика;
Информационные технологии;
Методы математического моделирования.
Основные положения дисциплины «Основы моделирования технических систем» используются в дальнейшем при изучении следующих дисциплин:
 Основы проектирования оборудования электронной техники;
3
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Основы моделирования технических систем» для направления
210100.62 «Электроника и наноэлектроника» подготовки бакалавра




Компьютерное моделирование устройств микроэлектроники;
Элементы и устройства наномеханики;
Зондовое оборудование нанотехнологий;
Подготовка выпускной квалификационной работы.
Для освоения учебной дисциплины, студенты должны владеть следующими знаниями:
- Дифференциальное и интегральное исчисление;
- Операции с векторами и матрицами;
- Методы решения трансцендентных уравнений;
- Основные законы физики;
- Оформление схем и технической документации;
- Применять компьютерную технику для решения математических задач.
Владеть следующими компетенциями:
- ОК-1 – Способность владеть культурой мышления, способностью к обобщению, анализу,
восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения
- ОК-2 – Способностью логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь;
- ОК-10 – Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования,
теоретического и экспериментального исследования.
- ПК-6 – Способность собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научнотехническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной
и зарубежной науки, техники и технологии.
5. Тематический план учебной дисциплины
№
Аудиторные часы
СамостояВсего
Практительная
Семичасов Лекции
ческие
работа
нары
занятия
Название раздела (темы)
1 Введение. Основные понятия моделирования
технических систем
2 Общая методика моделирования
3 Моделирование технических систем на микроуровне
4 Моделирование пьезоэлектрических устройств
мехатроники
5 Построение моделей на макроуровне
6 Имитационное моделирование динамических
систем
Итого:
4
8
2
4
2
8
16
2
4
4
8
2
4
16
4
8
4
8
16
2
4
4
8
2
4
72
18
36
18
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Основы моделирования технических систем» для направления
210100.62 «Электроника и наноэлектроника» подготовки бакалавра
6. Формы контроля знаний студентов
Тип контроля
Форма контроля
Семестр Недели
Текущий
Контроль активности студентов на
практических занятиях
Текущий
Работа на ЭВМ
Промежуточный
Итоговый
Домашнее задание 1 2
Домашнее задание 2
2
экзамен
Параметры
2
1 – 18
ответы на вопросы, решение задач
4, 6, 8,10
разработка и расчет математической
модели на персональном компьютере
9,
13
1,2
до 10 стр. А4, шрифт Times New Roman 14 pt, 1,5 интервала
письменная работа на 40 минут
2
6.1. Критерии оценки знаний, навыков
Активность на практических занятиях оценивается по следующим критериям:
 Ответы на вопросы, предлагаемые преподавателем;
 Решение задач у доски;
 Участие в обсуждении особенностей решения задачи.
6.2. Домашние задания
Требования к домашним работам:
Каждая работа выдаётся для самостоятельного решения сроком на 2 недели.
Формулируется постановка задачи.
Приводится выбранный метод решения.
Даётся описание построения модели, указывается используемое программное средство.
Результаты моделирования оформляются в виде блок-схем, графиков, диаграмм.
В заключении приводятся выводы по работе.
Указывается список использованной литературы, включая сайты в Интернете.
Оформленная работа снабжается титульным листом по установленной форме.




Домашние задания оцениваются (из 5 баллов каждое) по следующим критериям:
постановка проблемы работы с указанием цели;
степень решения поставленных задач и достижения целей;
аргументация, четкость и понятность выводов;
аккуратность в оформлении работы, стиль изложения.
6.3. Письменный экзамен
Итоговый контроль выполняется в форме письменного экзамена в конце курса в присутствии преподавателя. Перед началом экзаменационной работы даются вопросы, которые составляются с учетом материала, пройденного как на лекционных, так и на практических занятиях. Ответ излагается письменно в словесной форме с приведением необходимых формул, диаграмм, графиков, краткого описания алгоритмов. Использование каких-либо текстов, калькуляторов, телефонов и других средств связи запрещается. Время написания работы – 80 мин.
5
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Основы моделирования технических систем» для направления
210100.62 «Электроника и наноэлектроника» подготовки бакалавра
7. Содержание дисциплины (всего 72 часа)
Тема 1. Введение. Основные понятия моделирования технических систем (8 часов)
Понятие технической системы её моделей. Виды моделей. Постановка задач проектирования. Структура объекта и модели. Параметры внутренние и внешние. Примеры простых дискретных моделей.
Тема 2. Общая методика моделирования (8 часов)
Виды и средства моделирования. Классификация математических моделей. Режимы работы технических объектов. Автоматизированные системы проектирования. Основы построения математических моделей.
Тема 3. Моделирование технических систем на микроуровне (16 часов)
Объекты моделирования на микроуровне. Основы метода конечных разностей и метода
конечных элементов. Модели тепловых, гидравлических, механических, электромеханических
систем. Приближённые модели технических систем. Понятие мехатроники как новой науки о
технических системах.
Тема 4. Моделирование пьезоэлектрических устройств мехатроники (16 часов)
Элементная база. Примеры мехатронных систем – датчики и актюаторы. Пьезоэлектрические преобразователи микросистемной техники. Уравнения пьезоэффекта в матричной форме. Пьезодатчики статические и резонансные. Пьезоактюаторы. Пьезогироскопы, области их
применения. Моделирование биморфных и многослойных пьезоэлектрических систем. Компенсаторы температурных деформаций. Пьезокорректоры кольцевых лазеров. Моделирование прецизионных пьезоприводов сканирующей зондовой микроскопии. Моделирование пьезоэлектрических микронасосов.
Тема 5. Построение моделей на макроуровне (2 часа)
Способы построения моделей на макроуровне. Графические и матричные формы представления математических моделей. Уравнения Лагранжа второго рода для систем с многими
степенными свободы. Посторенние плоских и пространственных моделей механических систем.
Тема 6. Имитационное моделирование динамических систем (4 часа)
Аналогия и подобие в моделировании. Теоретическое моделирование с помощью критериев подобия. Построение имитационных моделей. Основы планирования численного эксперимента. Распределения вероятностей. Основные свойства случайных процессов. Определение
статистических оценок. Моделирование случайных процессов. Параметры регрессионной модели. Статистический анализ результатов эксперимента. Оптимизация параметров технических
систем.
8. Образовательные технологии
8.1. Методические рекомендации преподавателю
Для текущего контроля успеваемости периодически проводится опрос студентов по
оценке остаточных знаний в часы практических занятий. Для выполнения домашних работ выдаются студентам индивидуальные задания. Предварительно решаются подобные задачи.
8.2. Методические указания студентам
Методические указания для выполнения самостоятельных работ по всем темам домашнего задания предоставляются студентам в печатном или в электронном виде.
8.3. Программные средства
Для выполнения практических работ на ЭВМ используются стандартные компьютерные
пакеты программ и специальные программы, разработанные на кафедре.
6
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Основы моделирования технических систем» для направления
210100.62 «Электроника и наноэлектроника» подготовки бакалавра
9. Оценочные средства для текущего контроля и аттестации студента
9.1. Примерная тематика домашних заданий
1. Построение модели и исследование параметров пакетного пьезоактюатора.
2. Моделирование тепловых процессов в многослойных системах.
3. Построение модели оптимизации балочного пьезоактьатора.
4. Моделирование и оптимизация трубчатого пьезопривода сканирующего микроскопа.
5. Моделирование пьезокорректора кольцевого лазера.
6. Моделирование микронасоса.
7. Моделирование процесса случайного захвата молекул газа геттером.
9.2. Вопросы для оценки качества освоения дисциплины
1. Основные понятия технической системы и модели.
2. Цели и задачи моделирования.
3. Классификация моделей.
4. Значение аналогии в моделировании.
5. Аналогия между электрическими, механическими, гидравлическими и тепловыми подсистемами.
6. Математическое моделирование.
7. Физическое моделирование.
8. Физическое подобное моделирование.
9. Параметры системы внутренние и внешние.
10. Примеры простых дискретных моделей.
11. Автоматизированные системы проектирования.
12. Объекты моделирования на микроуровне.
13. Основы метода конечных разностей и метода конечных элементов.
14. Приближённые модели технических систем.
15. Понятие мехатроники как новой науки о технических системах.
16. Пьезоэлектрические преобразователи микросистемной техники.
17. Уравнения пьезоэффекта в матричной форме.
18. Пьезодатчики статические и резонансные.
19. Пьезоактюаторы.
20. Пьезогироскопы, области их применения.
21. Моделирование биморфных и многослойных пьезоэлектрических систем.
22. Компенсаторы температурных деформаций.
23. Пьезокорректоры кольцевых лазеров.
24. Моделирование прецизионных пьезоприводов сканирующей зондовой микроскопии.
25. Моделирование пьезоэлектрических микронасосов.
26. Способы построения моделей на макроуровне.
27. Графические и матричные формы представления математических моделей.
28. Уравнения Лагранжа второго рода для систем с многими степенными свободы.
29. Посторенние плоских и пространственных моделей механических систем.
30. Аналогия и подобие в моделировании.
31. Построение имитационных моделей.
32. Основы планирования численного эксперимента.
33. Определение статистических оценок.
34. Статистический анализ результатов эксперимента.
35. Оптимизация параметров технических систем.
36. Теоретическое моделирование с помощью критериев подобия.
7
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Основы моделирования технических систем» для направления
210100.62 «Электроника и наноэлектроника» подготовки бакалавра
10. Порядок формирования оценок по дисциплине
Текущий контроль предусматривает учет активности студентов в ходе проведения семинаров, выступления, участие в дискуссиях, выполнения практических работ на компьютере,
консультации с преподавателем по домашним заданиям, оценивается максимум в 10 баллов.
Промежуточный контроль предусматривает выполнение двух домашних заданий с общей максимальной оценкой в 10 баллов (по 5 баллов за каждое задание).
Накопленная оценка (НО), максимум 10 баллов, включает оценку за текущую работу
(ОТЕК) и выполнение двух домашних заданий (ОДЗ) и формируется по следующему правилу:
НО=0,5ОТЕК + 0,5ОДЗ
Итоговый контроль проводится в форме письменного экзамена с использованием закрытых вопросов (в течение 80 минут). Итоговый экзамен (ИЭ), максимум 10 баллов.
Итоговая оценка формируется как взвешенная сумма оценки, накопленной в течение семестра, и оценки за письменную экзаменационную работу.
Итоговая оценка (ИО), максимум 10 баллов по курсу определяется с учетом накопленной
оценки (с весом 0,5) и оценки за письменный экзамен (с весом 0,5) по следующей формуле:
ИО=0,5НО + 0,5ИЭ
Письменный зачет является обязательным, независимо от накопленной за учебный год
оценки. Студент, не явившийся на зачет без уважительной причины, или написавший зачетную
работу на неудовлетворительную оценку (от 1 до 3 баллов), получает неудовлетворительную
оценку за курс в целом.
Пересдача по курсу (первая, вторая) представляет собой письменную работу, за которую
выставляется оценка (П), максимум 10 баллов.
Итоговая оценка по курсу после пересдачи (ИОП) (первой, второй) определяется с учетом накопленной оценки и оценки за пересдачу (с весом 0,5) по следующей формуле:
ИОП=0,5НО + 0,5П
Все округления производятся в соответствии с общими математическими правилами.
Оценки за курс определяются по десятибалльной и пятибалльной шкале.
Количество набранных
баллов
Оценка по десятибалльной шкале
Оценка по пятибалльной шкале
9,5-10
10
отлично
8,5-9,4
9
отлично
7,5-8,4
8
отлично
6,5-7,4
7
хорошо
5,5-6,4
6
хорошо
4,5-5,4
5
удовлетворительно
3,5-4,4
4
удовлетворительно
2,5-3,4
3
неудовлетворительно
1,5-2,4
2
неудовлетворительно
0–1,4
1
неудовлетворительно
8
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Основы моделирования технических систем» для направления
210100.62 «Электроника и наноэлектроника» подготовки бакалавра
11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
11.1. Базовые учебники
1. Тарасик В.П. (2004). Математическое моделирование технических систем: Учебник для ВУЗов. – Мн.: ДизайнПРО, 2004. – 640 с.
2. Советов Б.Я. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 2005. – 343 с.
3. Рыжиков Ю.И. Имитационное моделирование. Теория и технология. – СПб.: КОРОНА
принт. М.: Альтекс-А, 2004. – 384 с.
11.2. Основная литература
1. Калиткин Н.Н. Численные методы. Учебное пособие. СПб.: БХВ-Петербург, 2011.
2. Зарубин В.С. Математическое моделирование в технике. Учебник для вузов. М.: МГТУ им.
Баумана, 2001.
3. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры.
М: ФИЗМАТЛИТ, 2005, 320 с.
4. Гихман И.И., Скороход А.В. Введение в теорию случайных процессов. М., Наука, 1977.
5. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс. СПб.: ПИТЕР
КОМ, 2005.
6. Балашов В.Н. Математическое моделирование технических систем: Учебное пособие. – М.:
МГИЭМ, 2002. – 101 с.
11.3. Дополнительная литература
1. Веников В.А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики). Учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. – М.: «Высшая школа», 1976.
2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. Изд. 2-е, доп. и перераб. – М.: Наука, 1976.
3. Коробейников А.Г. Разработка и анализ математических моделей с использованием
MATLAB и MAPLE: Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010
4. Артемов М.А., Коржов Е.Н. Математическое моделирование и компьютерный эксперимент. Воронеж: ВГУ, 2001. - 64 с.
5. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение / пер. с англ. С.Н Жукова. Мн.
ООО «ФУАмнформ», 2003. – 112 с.
6. Первые шаги в пьезоактюации / пер. с англ. Жукова С.Н. – М.: Додэка-XXI, 2011. – 80 с.
7. Шаповалов Л.А. Моделирование в задачах механики элементов конструкций. – М.: Машиностроение, 1990. – 288 с.: ил.
8. Виноградов А.Н. Сборник заданий для самостоятельной работы студентов по дисциплинам
механики. Ч. 1. Моделирование механизмов с применением ЭВМ. М.: МИЭМ, 2011. – 32 с.
9. Виноградов А.Н. Сборник заданий для самостоятельной работы студентов по дисциплинам
механики. Ч. 2. Моделирование механизмов с высшими кинематическими парами. М.: МИЭМ,
2011. – 32 с.
10. Виноградов А.Н., Шеламов В.А. Механика и пьезомеханика. Метод. указания к выполнению лабораторных работ и практических занятий с применение ЭВМ. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ,
2014. –32 с.
11.4. Помимо материалов лекций, методических указаний, учебных пособий и учебников, студенты могут широко использовать интернет-ресурсы при подготовке докладов и домашних заданий:
1. http://exponenta.ru/ – образовательный математический сайт;
2. http://www.stroitmeh.ru/lect31.htm – основные определения метода конечных элементов.
9
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Основы моделирования технических систем» для направления
210100.62 «Электроника и наноэлектроника» подготовки бакалавра
11.5. Программные средства
Для успешного освоения дисциплины, студент использует следующие программные
средства:
1. Стандартные компьютерные пакеты программ:
- Microsoft Excel,
- Matlab (Scilab),
- MathCAD,
- APM WinMachine и др.
2. Специальные компьютерные программы для научных исследований:
МПТП – Моделирование прецизионного трубчатого пьезопривода для СТМ.
MSR – Моделирование стержневых пьезогироскопов.
МБВД – Моделирование пьезонасосов.
PIEZ3D – Моделирование пьезокорректоров кольцевых лазеров.
12. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Для проведения практических занятий и выполнения расчётных работ используются:
- Дисплейный класс кафедры с проектором на 12 мест.
- Дисплейный класс кафедры на 6 мест.
- Дисплейный класс ВЦ МИЭМ на 21 место.
Автор программы: _____________ /Виноградов А.Н./
10